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CELDAS SOLARES
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA

Desde el comienzo de la vida en la Tierra se ha necesitado una fuente de energía que mantenga viva la existencia de los seres que la habitan. Una de las fuentes de energía más antigua es el Sol, el cual ha estado durante mucho tiempo brindando su energía y manteniendo las condiciones de vida posibles en el planeta. Esta fuente, que parece inagotable, no se ha aprovechado de manera eficiente durante muchas décadas porque puede ser opacada por otros medios de obtención de energía no renovables, como la combustión de fuentes fósiles o los derivados del petróleo.


Recientemente ha surgido la necesidad de aprovechar la energía que nos brinda el Sol, pues las fuentes que creíamos en un comienzo renovables o inagotables no lo son y cada vez más nos concientizamos del impacto negativo que tienen otros métodos de producción de energía sobre el medio ambiente y en nosotros mismos. Un caso alarmante es la generación de energía por medio de la incineración de combustibles que tanto afectan nuestra capa de ozono y el aire que respiramos, y la construcción de grandes embalses que afectan gravemente a los ecosistemas que los rodean.


La demanda mundial de energía es considerada como el primer problema que va a enfrentar nuestro planeta en las próximas décadas, por encima del agua y la comida, ya que se espera que la población mundial aumente considerablemente. Por ejemplo, para el año 2050 se espera un consumo de 14 teravatios (TW) (1 TW = 1 billón de vatios) y para el año 2100 de 33 TW (Smalley, 2003). Esto ha motivado el desarrollo de un gran número de investigaciones centradas en promover alternativas para disminuir el impacto de esta demanda. Según un estudio publicado recientemente por el World Energy Council, para el año 2100 la energía proveniente de petróleo, gas y carbón representará menos del 15% del consumo total global, mientras que otros tipos de energía, incluyendo las renovables, proveerán el consumo restante. Así las cosas, las alternativas más atractivas para estudiarlas son las relacionadas con las fuentes renovables disponibles en nuestro alrededor: agua, viento y sol, por ejemplo.


El aprovechamiento de la energía cinética del agua para generar energía eléctrica ha sido uno de los pilares en la generación de energía en algunos países (por ejemplo en China, Japón o Brasil) cuyos recursos hídricos son abundantes. Aunque esta manera de producir energía es muy eficiente, tiene la desventaja de generar un gran impacto ambiental en los diferentes ecosistemas que rodean a las grandes hidroeléctricas, además de la posibilidad de sufrir graves problemas en temporadas de sequía, cuando escasea el agua. Debido a estos problemas, surge la necesidad de utilizar otros sistemas que puedan complementar la producción de energía, que no necesariamente compiten con la producción hidroeléctrica, pero que son más amigables con el medio ambiente y no dependen tanto de él. La energía eólica y la solar son claros ejemplos; estos sistemas también son complementarios en aquellos países donde predomina la energía nuclear.


La generación de energía a partir del viento, denominada energía eólica, ha sido una de las alternativas con más auge en los últimos años, debido al aprovechamiento de las corrientes de viento que pasan cerca de las costas. Esta cercanía, que garantiza la eficiencia de estos sistemas —ya que el viento no encuentra obstáculos para fluir por encima de los océanos—, es, simultáneamente, una limitante para los países que no tienen costas. Esta realidad hace más atractiva la opción de generar energía a partir de la radiación solar, ya que el sol cubre toda la corteza terrestre.


Las investigaciones en este tipo de tecnología han conducido al desarrollo de componentes llamados celdas solares o paneles fotovoltaicos. Década tras década, estos dispositivos han sido mejorados, por lo que se reconocen tres generaciones, aunque en la actualidad la mayoría de los estudios se centra en la tercera. Tradicionalmente las celdas solares de silicio amorfo (desarrolladas desde la primera generación) han suministrado energía con eficiencias que oscilan entre 10 y 25% (esta eficiencia suele darse en términos de la relación entre la energía que llega del Sol a la celda y la que se entrega en forma de energía eléctrica); el límite superior de este rango se encuentra en las celdas de silicio monocristalino, que son de alto costo y, por tanto, son difíciles de adquirir por ciertas comunidades, sobre todo en zonas remotas y de bajos recursos. Por otra parte, la tercera generación de celdas solares son un grupo de tecnologías recientes que pretenden competir en eficiencia y costo con las celdas comerciales de silicio.


Entre los desarrollos más recientes en esta última generación de tecnologías se encuentran las celdas solares sensibilizadas con colorantes (DSSC), las celdas solares orgánicas e híbridas y las basadas en materiales que generan múltiples pares electrón-hueco, denominadas celdas a partir de puntos cuánticos (nanopartículas de menos de 10 nm de diámetro) (Grätzel, 2003). Las celdas solares orgánicas, a partir de polímeros semiconductores y en combinación con nanopartículas orgánicas o inorgánicas, han demostrado ser una alternativa promisoria dado su bajo costo, su flexibilidad y su fácil procesamiento mediante técnicas por impresión, por rodillos o por spray, entre otras. Estas técnicas son similares a las usadas en la impresión de plásticos en serie para obtener empaques de alimentos con múltiples gráficos y colores, o a los aerosoles en spray que conocemos para pintar grafitis. Aunque todavía es un reto lograr celdas que perduren un tiempo prolongado, ya existen en el mercado algunas celdas comerciales de este tipo que prueban que es posible su fabricación y uso. Algunos desarrollos comerciales de este tipo de tecnología de película delgada con materiales no convencionales muestran eficiencias del 10% al convertir energía solar en electricidad.


Recientemente se ha explorado el uso de nuevos materiales desarrollados por el hombre, con diferentes morfologías y modificaciones en su superficie, que tienen la capacidad de absorber una amplia gama del espectro de energía, con el fin de ser considerados como semiconductores tipo n o tipo p, relacionados con el movimiento de electrones o de cargas positivas. Estos materiales son, por ejemplo, polímeros especiales que, a diferencia de los plásticos aislantes convencionales, como el polietileno o el polipropileno, pueden transportar cargas eléctricas; o las nanopartículas de óxidos o de materiales, como los nanotubos de carbono o los fullerenos (derivados del carbono en forma de balones de fútbol).


Entre los avances más destacados en la tercera generación se encuentran las celdas DSSC, dispositivos que están inspirados en las plantas. Se puede decir que, a diferencia de los humanos, estos organismos sí han aprovechado eficientemente la energía del Sol. Como sabemos, las plantas han estado durante todos los periodos en los que se ha encontrado vida en la Tierra, por su capacidad de adaptación y aprovechamiento de las fuentes que las rodean. Desde la más pequeña planta, hasta la más grande, existe algo en común: la fotosíntesis, un proceso en el cual la energía del Sol es de suma importancia para el desarrollo de la planta, pues su existencia depende de él. Se sabe que las plantas absorben por sus hojas la energía que les brinda el Sol y la utilizan eficientemente para su crecimiento, florescencia y producción de frutos. De esta observación, aproximadamente desde el año 1991 (O´Regan y Grätzel, 1991) hasta el presente, se desarrollan estas celdas solares, denominadas también celdas fotoelectroquímicas, debido a las reacciones que ocurren en su interior cuando el sol interactúa con sus componentes. El principal componente de estas celdas es el tinte o sensibilizador; comúnmente se utilizan complejos de metales nobles para su fabricación, por su estabilidad en el tiempo. Se han reportado eficiencias de conversión mayores del 10% (Grätzel, 2003: 145-153), utilizando complejos de rutenio. Existe una gran variedad, ya que las configuraciones que se pueden coordinar alrededor de este elemento son infinitas. La única desventaja que se tiene con estos compuestos es que son muy escasos y costosos. Con base en esto, actualmente se han desarrollado algunos estudios para obtener tintes provenientes de hojas, tallos, flores y frutos de las plantas, los cuales proporcionan una gran cantidad de gamas de colores y buena absorción de la radiación solar. Debido a su técnica simple de preparación, fuentes abundantes y bajo costo, los tintes naturales son prometedores como una alternativa de fotosensibilizador para las DSSC.


La eficiencia de estos tintes es más baja que la de las celdas con tintes de complejos metálicos, pero presentan una alternativa muy tentadora en el costo final de la celda y en su tiempo de vida. Otro componente importante de estas celdas es el semiconductor, de los cuales el más utilizado es el óxido de titanio (TiO2) (Lenzmann, 2007). Actualmente, las reservas de este mineral disminuyen constantemente por la alta demanda en diferentes industrias, abriéndose la necesidad de buscar nuevas alternativas de semiconductores que presenten propiedades muy semejantes. Una ventaja marcada de las DSSC y las celdas híbridas es la utilización de sustratos flexibles para su fabricación, ya que las celdas de silicio tienen sustratos frágiles y quebradizos.


En el campo de las celdas solares las investigaciones no han cesado. Muy recientemente se están sustituyendo algunos de sus componentes por productos naturales, como minerales abundantes de bajo costo, electrolitos a base de agua sin necesidad de solventes orgánicos, y pigmentos extraídos de diferentes partes de las plantas, como se mencionó anteriormente (Hao et al, 2006: 209-214; Zhou et al, 2011: 188-194).


La nanotecnología y la energía solar


Hasta el momento solo hemos abordado algunos logros tangibles obtenidos para suplir las necesidades energéticas, pero no se ha resuelto aún la pregunta acerca de la relación entre la nanotecnología y el aprovechamiento de la energía solar. Podemos considerar que, desde tiempos prehistóricos, el ser humano ha generado muchos conocimientos con solo observar y entender; la reunión de todos los conocimientos en un campo delimitado se puede considerar ciencia. Teniendo en cuenta la curiosidad del hombre, el solo saber no le era suficiente; necesitó manipular y crear para modificar las cosas de su alrededor y suplir las necesidades; todas las herramientas disponibles (técnicas) llevaron a crear la necesidad de poder entenderlas, y de ese modo surgió la tecnología.


Se puede destacar la década de los setenta del siglo XX como el periodo en el cual se logró un alto crecimiento tecnológico, posibilitando el nacimiento del primer dispositivo que aprovechó la energía proveniente del sol; esta energía ha provisto 208 TW desde hace aproximadamente 4.500 millones de años (Huizhi y Liqiong, 2010: 775-776). El Sol que nos ilumina hoy es el mismo que brilló sobre los primeros habitantes de la Tierra.


Los prefijos macro y micro están relacionados con objetos grandes y pequeños, respectivamente. Puede haber objetos muy pequeños, hasta el punto de ser imperceptibles por el ojo humano, para ellos se utiliza el prefijo nano.


Ya estamos en capacidad de entender qué es la nanotecnología: tecnología aplicada a escala muy pequeña que permite combinar las herramientas para manipular y controlar la materia a escala nanométrica, permitiendo la fabricación de sistemas que pueden tener un amplio espectro de aplicación tecnológica. Por ejemplo, para las celdas solares es fundamental el uso de herramientas de nanotecnología, ya que la mayoría de sus componentes activos son muy pequeños. Para que funcionen efectivamente se necesitan equipos especializados y sofisticados para fabricarlos y manipularlos. Se deben utilizar materiales a tamaños tan reducidos por las propiedades ópticas o electrónicas que se puedan obtener con solo reducir el tamaño de la materia a escala nanométrica.


Para entender la configuración de películas sucesivas en una celda solar, se podría emplear la analogía con una hamburguesa; cada capa está constituida por un material o ingrediente específico que cumple un papel determinado en el proceso de conversión de energía solar a eléctrica. No todos los materiales están a escala nanométrica, pero la principal, donde se dan todos procesos de conversión de energía, sí lo está.


Para que una celda funcione, todos sus constituyentes deben trabajar en equipo; con solo uno que falle, el dispositivo no servirá. Por esto es muy importante seleccionar los materiales adecuados, una metodología eficiente para manipularlos y las condiciones ideales para que haya sinergia entre ellos. El funcionamiento de una celda solar de tercera generación: los fotones o paquetes de energía provenientes del sol son representados con la madera; los aserradores la recolectan y la consumen para hornear los panes, y los cocineros (los nanomateriales) transportan los electrones (panes) y los huecos (platos vacíos). Finalmente, se dispone de los electrones (panes) para alimentar al sujeto de interés.


Un parámetro que debe ser siempre mencionado cuando se habla de celdas solares es la eficiencia; ayudándonos de la figura anterior, podríamos decir que este término lo definimos como la cantidad de panes horneados con un número x de troncos de madera. Para entender más fácilmente, podemos considerar este ejemplo: por cada 4 troncos de madera se pueden hornear 2 panes, entonces la eficiencia de esta celda sería de un 50%. En la realidad se pueden obtener eficiencias cercanas al 20%, pero gracias a la nanotecnología, algunas predicciones teóricas muestran que es posible subir este valor de eficiencia y reducir los costos de la tecnología. Se espera que en algunos años se puedan tener valores atractivos desde el punto de vista de desempeño y costos, con el fin de competir con otras fuentes de energía más baratas pero más contaminantes y menos sostenibles que la solar. La fabricación de los dispositivos debe hacerse paralela con un estudio continuo de los avances en la nanotecnología, con el fin de mejorar cada día más su rendimiento.


Esta herramienta está en constante evolución; cada día se desarrollan materiales novedosos y procedimientos sofisticados gracias a la nanotecnología. Las energías alternativas como la solar han encontrado en ella todos los mecanismos necesarios para lograr los resultados deseados. Se puede afirmar que la nanotecnología propone nuevos retos y estimula la evolución continua de las soluciones ya planteadas.


Lo que hacemos


Motivados por lo anterior, nuestro grupo de investigación trabaja con celdas solares de bajo costo, mediante el desarrollo de nuevos materiales alternativos a los tradicionales semiconductores. La obtención de estos dispositivos se basa en la fabricación de películas muy delgadas (típicamente de menos de 100 nm) mediante las técnicas de procesamiento explicadas anteriormente, como flexografía, por spray u otras que hacen fácil y poco costosa la tecnología, permitiendo tener acceso más barato a la energía.


Además de las celdas híbridas que se fabrican, también estamos trabajando en la obtención de celdas solares sensibilizadas con materiales que se consideran de desecho, como los tintes naturales extraídos de cáscaras de frutas y vegetales, residuos de las diferentes plazas de mercado en nuestro medio. Por otra parte, experimentamos con semiconductores no convencionales; por ejemplo, con algunos óxidos metálicos que se pueden obtener a partir de subproductos de la industria minera y que pueden ser estudiados con el fin de sustituir los semiconductores de alto costo que se usan en la actualidad. Debido a que varios de los componentes de la celda son prácticamente desechos reutilizados, su precio podría estar por debajo del de aquellas que tienen tintes sintéticos, lo cual podría permitir que este tipo de dispositivos sean considerados en un futuro como una alternativa viable de obtención de energía para el uso en el hogar.


Dentro de muy poco tiempo no será una sorpresa que nuestras prendas tengan tejidos que puedan absorber y generar energía para cargar los teléfonos móviles o los computadores portátiles; que se pueda comprar en el mercado una "pintura fotoactiva" que podamos aplicar sobre los techos, o que nuestras ventanas sean celdas solares transparentes que puedan generar energía para abastecer el consumo de nuestra vivienda.





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